Eigenschaften des Wasserstoffs

Wasserstoff hat im Verhältnis zu seiner Masse einen hohen Energiegehalt, da jedoch seine Dichte mit 0,089882 kg·m⁻³ bei Normalbedingungen nicht sehr groß ist, ist der Energiegehalt im Verhältnis zum Volumen sehr gering. Daher ist der Heizwert eines Wasserstoff-Luft-Gemisches davon abhängig, wie Wasserstoff und Luft miteinander gemischt werden – der Heizwert kann über, aber auch unter dem eines konventionellen Benzinluftgemisches liegen. Wasserstoff hat sehr große Zündgrenzen, die von 4 Vol-% Wasserstoff (Luftzahl ${\displaystyle \lambda =10{,}1}$) bis 75,6 Vol-% Wasserstoff (Luftzahl ${\displaystyle \lambda =0{,}13}$) reichen. Theoretisch kann daher, selbst bei ${\displaystyle \lambda \approx 10}$, ein Wasserstoffmotor noch mit einem homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisch betrieben und die Last im gesamten Betriebsbereich des Motors durch Qualitätsänderung geregelt werden. Es ist aber auch wegen der weiten Zündgrenzen möglich, Betrieb mit inhomogenem überstöchiometrischen Gemisch anzuwenden. Zwar muss – wie bei anderen Kraftstoffen auch – bei höherem Luftverhältnis mehr Zündenergie aufgewendet werden, doch beträgt die nötige Zündenergie beim stöchiometrischen Wasserstoff-Luft-Gemisch mit etwa 0,017 mJ (Mindestwert) nur ein Zehntel der eines konventionellen Benzinluftgemisches. Die Selbstentzündungs­temperatur des Wasserstoffes liegt mit 858 K (585 °C) weit über jener von Benzin oder Dieselkraftstoff, daher hat Wasserstoff bei Verbrennung mit Vormischflamme günstige Klopfeigenschaften. Das erschwert allerdings den Betrieb eines nach dem Dieselverfahren arbeitenden Motors, weshalb in einem nach dem Dieselverfahren arbeitenden Wasserstoff­verbrennungs­motor die Ladungstemperatur durch Maßnahmen wie hohe Verdichtung erhöht werden muss, um die Selbstentzündung sicher einzuleiten. Da bei einem Wasserstoff­verbrennungs­motor die laminare Flammengeschwindigkeit mit maximal 3 m·s⁻¹ sehr hoch ist, sogar bei überstöchiometrischen Gemischen, kann eine kurze Brenndauer erzielt werden, die sich günstig auf den Wirkungsgrad auswirkt, allerdings wegen des schnellen Druckanstieges im Brennraum eine stärkere Belastung des Triebwerkes bedeutet.

Wasserstoffspeicherung

Der Wasserstoff für den Wasserstoffmotor wird entweder verflüssigt (−253 °C), höchstkomprimiert (300–700 bar) oder in einer chemischen oder physikalischen Verbindung (wie zum Beispiel Metallhydrid oder LOHC) gespeichert. Metallhydridspeicher waren 2018 noch im Entwicklungsstadium. Bei der Speicherung in verdichteter oder verflüssigter Form muss Energie zur Speicherung des Wasserstoffes aufgewendet werden, diese entspricht etwa 15 % des Heizwertes des Wasserstoffs. Flüssigtanks gasen durch unvermeidliche Isolationsverluste bei Nichtbenutzung aus. Der verdampfte Wasserstoff führt zu einer Druckerhöhung im Tank. Zum Druckausgleich über ein Entlastungsventil werden darum etwa beim BMW Hydrogen7 10 bis 12 Gramm pro Stunde des verdampfen Wasserstoffs abgegeben, was nach 17 Stunden Standzeit beginnt und innerhalb von 9 Tagen einen halbvollen Tank fast vollständig entleert. Nachteilig bei Metallhydridtanks sind die großen Kosten und eine geringe Speicherdichte von etwa 2 bis 3 % der Masse. Wasserstoff kann durch Hydrierung von organischen Substanzen (zum Beispiel N-Ethylcarbazol) in flüssiger Form drucklos gespeichert und transportiert werden. Rechnerisch sind Speicherdichten von 14–20 Masseprozent möglich. Im Labor wurden Speicherdichten von 6–8 Masseprozent erreicht.

Wasserstofftankstellen

An den in Deutschland verbreiteten Wasserstofftankstellen von H2 Mobility dürfen gemäß AGB nur freigegebene Fahrzeuge mit Brennstoffzellen tanken da bei diesen Kompatibilität sichergestellt ist. Fahrzeuge mit Wasserstoffverbrennungsmotor sind dort explizit verboten.

Drehmomentänderung

Der weiten Zündgrenzen wegen ist es möglich und aufgrund des besseren Wirkungsgrades auch sinnvoll, bei einem Wasserstoff­verbrennungs­motor das Drehmoment nur über eine Änderung der eingespritzten Kraftstoffmasse einzustellen und die Ansaugluft nicht zu drosseln (Qualitätsänderung). Um das Leerlaufverhalten und die Brenndauer im unteren Lastbereich zu optimieren, kann es jedoch vorteilhaft sein, die Ansaugluft zu drosseln. Wird ein Dreiwegekatalysator zur Abgasreinigung eingesetzt, so kann ${\displaystyle \lambda \approx 1}$ auch durch Drosseln erreicht werden.

Gemischbildung

Abgasverhalten

Da Wasserstoff keinen Kohlenstoff enthält, können im Abgas theoretisch keine kohlenstoffhaltigen Schadstoffe wie Kohlenstoffmonoxid (CO), Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Kohlenwasserstoffe (HC) enthalten sein. Das kohlenstoffhaltige Öl, das für die Motorschmierung benötigt wird, trägt jedoch dazu bei, dass auch Spuren dieser drei Schadstoffe im Abgas enthalten sind. Die einzigen Schadstoffe, die in größeren Konzentrationen im Abgas des Wasserstoff­verbrennungs­motors enthalten sind, sind Stickstoffoxide (NO_x).

Die Stickstoffoxidbildung hängt bei Saugrohreinspritzung von der Luftzahl ${\displaystyle \lambda }$ und von der Verbrennungstemperatur ab, mit steigender Luftzahl sinkt auch die Temperatur und damit die Neigung zur Stickstoffoxidbildung. Bei einem sehr hohen Luftverhältnis von ${\displaystyle \lambda >2{,}2}$ werden fast keine Stickoxide mehr gebildet, während mit sinkendem Luftverhältnis die Stickoxidbildung stark steigt. Bei ${\displaystyle \lambda =1{,}3}$ wird ein Maximum erreicht, während mit noch weiter zunehmendem Luftverhältnis die Stickoxidbildung wieder sinkt.

Bei Direkteinblasung kann durch eine späte Einblasung in den Kompressionshub die bei hohen Motorlasten bei Betrieb mit global stöchiometrischem Gemisch auftretende Stickoxidbildung reduziert werden. Ursächlich dafür ist die durch eine späte Einblasung entstehende Gemischschichtung. So entsteht neben einem mageren Bereich ein überfetter Bereich, was dazu führt, dass die Luftzahlen, bei denen Stickoxide entstehen würden, umgangen werden. Bei niedriger Last hingegen würde eine späte Einblasung Stickoxide in den kraftstoffreichen Zonen des insgesamt mageren Gemisches entstehen lassen.

Vorteile

• Das Abgasverhalten ist gut. Als Verbrennungsprodukte entstehen Wasserdampf und Stickoxide (NO_x); letztere können mit der Luftzahl gut gesteuert werden. Der Schmierölverbrauch verursacht Spuren von Kohlendioxid, Kohlenstoffmonoxid und Kohlenwasserstoffen.
• Der indizierte Wirkungsgrad von Wasserstoffverbrennungsmotoren kann rund 35 % betragen, was einen Wasserstoff­verbrennungsmotor effizienter als einen konventionellen, nach dem Ottoverfahren arbeitenden Benzinmotor macht, dessen indizierter Wirkungsgrad etwa 28 % beträgt. Im Vergleich dazu hat ein vergleichbarer Dieselmotor einen indizierten Wirkungsgrad von etwa 40 %.

Nachteile

• Wasserstoff hat sehr schlechte Schmiereigenschaften, da er keinen Kohlenstoff enthält und gleichzeitig den Schmierfilm angreift. Der Schmierfilm wird durch den Wasserstoff gleich auf zwei Wegen angegriffen: zum einen von der Wasserstoffflamme, die bis an die Wandung heranbrennt und nicht, wie es bei Benzin der Fall ist, beim Annähern an die Randzone verlöscht; zum anderen durch Hydrieren: Wasserstoff greift die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen der langkettigen Kohlenwasserstoffe der Schmierstoffe an, deren Bruchstücke verbrennen. Ein Ausweg aus diesem Problem bieten Keramikbeschichtung und der Verzicht auf Schmierung der Laufflächen überhaupt, was durch Kombination von Keramik gegen Keramik als Laufpartner ermöglicht wird.
• Mit der Nutzung von flüssigem Wasserstoff bei einem Fahrzeugmotor ist wegen des niedrigen Siedepunktes (−253 °C) ein erheblicher Aufwand verbunden, und dies sowohl beim Tankvorgang als auch am Fahrzeug selbst, wo spezielle Materialien gewählt werden müssen, die solchen Temperaturen gut standhalten. Zudem erwärmt sich der Wasserstoff mit der Zeit und benötigt dadurch ein größeres Volumen. Dies führt dazu, dass der Wasserstoff mit der Zeit an die Umwelt abgegeben werden muss und sich der Tank entleert. Die daraus entstehenden Probleme sind durch die Verwendung von modernen Hochdrucktanks heute weitestgehend gelöst. Der Verlust durch Diffusion und andere Undichtigkeiten ist hierbei vernachlässigbar. Auch Schäden durch Versprödung sind bei korrekter Materialwahl ausgeschlossen.